一種帶溫度補償和空氣檢測的風(fēng)動開關(guān)控制器設(shè)計

摘 要：為了能夠快速便捷地控制靜電場、紫外線等空氣凈化消毒的設(shè)備，設(shè)計了一款基于STC8A8K64D4單片機為主控，可以檢測PM2.5和甲醛并加上風(fēng)動檢測帶溫度補償的風(fēng)動開關(guān)控制器。該控制器實現(xiàn)與中央空調(diào)的風(fēng)機進行聯(lián)動，當(dāng)檢測到風(fēng)機開啟時，自動打開空氣凈化消毒設(shè)備，檢測到?jīng)]風(fēng)的時候，可自動將空氣凈化消毒設(shè)備關(guān)閉，同時可作為風(fēng)機的故障檢測傳感器。

關(guān)鍵詞：溫度補償；風(fēng)動開關(guān)；風(fēng)流感應(yīng)

0 引言

為滿足人們對空氣質(zhì)量的高標(biāo)準要求，現(xiàn)在的中央空調(diào)都會配備紫外線、負離子等凈化空氣和提高空氣質(zhì)量的設(shè)備，為了方便控制這些設(shè)備，一般都是通過一款可以感應(yīng)風(fēng)速或者氣流的控制器來實現(xiàn)。

本文可廣泛應(yīng)用于中央空調(diào)風(fēng)管中的各類設(shè)備，實現(xiàn)與中央空調(diào)的風(fēng)機聯(lián)動，既可應(yīng)用于空氣凈化系統(tǒng)，也可應(yīng)用于各類風(fēng)機的故障檢測傳感控制器。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計概述

1.1 設(shè)備功能及設(shè)計框圖

此產(chǎn)品與空調(diào)配合工作，當(dāng)空調(diào)風(fēng)機打開時，風(fēng)動傳感器有所感應(yīng)，并開始工作，顯示單元顯示當(dāng)前 PM2.5 值、甲醛數(shù)值和累計的工作時間，繼電器輸出 220 V 控制紫外線燈和負離子燈設(shè)備工作，空調(diào)關(guān)機后風(fēng)動傳感器感應(yīng)到設(shè)備運行狀態(tài)也執(zhí)行關(guān)機操作，斷開繼電器輸出，關(guān)閉顯示，停止計時累積工作時間。

開機時光敏傳感器感應(yīng)不到光 , 則為夜間工作狀態(tài)，此顯示單元不顯示，但設(shè)備仍然正常工作；當(dāng)光敏電阻感應(yīng)到光后，顯示單元正常顯示傳感器數(shù)值及累計使用時間。

顯示單元顯示傳感器數(shù)據(jù)和累積使用時長并使用紅黃綠三色指示燈表示當(dāng)前的污染等級，具體顯示情況如表 1。

表1 污染等級

當(dāng)累積使用時間顯示到 999 時，指示燈顯示紅色，并閃爍提示清洗濾網(wǎng)，此時常按復(fù)位按鍵 3S 復(fù)位，累積使用時間清零，從新開始計時，指示燈顯示綠色。

其系統(tǒng)總體設(shè)計框圖如圖 1 所示。

2.2 系統(tǒng)工作原理及主要功能介紹

PTC 熱敏電阻是一種正溫度系數(shù)具有溫度敏感性的半導(dǎo)體電阻，當(dāng)超過一定的溫度時，它的電阻值隨著溫度的升高呈階躍性的增高。風(fēng)動檢測就是使用 PTC 電阻的正溫度系數(shù)的特點，實現(xiàn)對風(fēng)或者氣流的感應(yīng)。首先對 PTC 熱敏電阻進行通電，讓 PTC 熱敏電阻發(fā)熱，電阻阻值升高，在有風(fēng)的情況下，風(fēng)帶走熱敏電阻自身的熱量，讓其溫度降低，進而自身的阻值就會變小。通過電阻變化輸出的不同電壓，配合電壓比較器就可以實現(xiàn)有風(fēng)和無風(fēng)的狀態(tài)輸出，MCU 通過讀取風(fēng)動的狀態(tài)，進行工作。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

2.1 電源管理電路

電源電路使用 220 V 交流電輸出，采用 DK124 這款離線式開關(guān)電源芯片，最大輸出功率達到 24 W。該芯片不同于 PWM 控制器和外部分立功率 MOS 組合的解決方案，其內(nèi)部集成了 PWM 控制器、700 V 功率管和初級峰值電流檢測電路，并采用了可以省略輔助供電繞組的專利自供電技術(shù)，因此極大地簡化了外圍應(yīng)用電路，減少了原件數(shù)量，電路尺寸和質(zhì)量。既能滿足設(shè)備對成本敏感的需求，又可以滿足系統(tǒng)工作的額定功率。電源由 220 V 交流轉(zhuǎn)為 12 V 直流，再通過三端穩(wěn)壓地， 將 12 V 直流轉(zhuǎn)換為 5 V 直流，給 MCU 及傳感器供電，具體電路如圖 2 所示。

圖2 電源管理電路圖

2.2 MCU主控單元電路

TC8A8K64D 是一款不需要外部晶振和外部復(fù)位國產(chǎn) 8051 內(nèi)核的單片機，其具有高可靠、高處理速度、寬電壓、強抗靜電能力且價格優(yōu)惠的特點，內(nèi)部集成了豐富的數(shù)字外設(shè)（串口、定時器、PCA、增強型 PWM、I2C、SPI）接口于模擬外設(shè)（12 位 15 路的 ADC、比較器），且包含增強型的雙數(shù)據(jù)指針，通過程序控制，可實現(xiàn)數(shù)字指針自動遞增或者遞減以及兩組數(shù)據(jù)指針自動切換的功能，主控單元具體電路如圖 3 所示。

2.3 輸入輸出及傳感器模塊電路

傳感器均使用數(shù)字串口與 MCU 通信，按照預(yù)定通信協(xié)議即可讀取正確的傳感器數(shù)值。

顯示單元使用了 TM1640 芯片驅(qū)動數(shù)碼管和指示燈的顯示，TM1640 是一款 8 段 16 位的數(shù)碼管驅(qū)動芯片，僅需要 2 根線就可以實現(xiàn)對芯片的讀寫，芯片自動進行數(shù)碼管的刷新操作，節(jié)省了單片機的 IO，簡化了程序的控制。

輸出模塊使用一路繼電器，控制 220 V 輸出，繼而控制其他外設(shè)。

光照度輸入模塊，利用了光敏電阻隨光照度的變化使其電阻也發(fā)生變化的特性，通過與電阻分壓，MCU 采集光敏電阻的電壓來確定其電阻，進而判斷當(dāng)前的光照度，實現(xiàn)晝夜的判斷。

風(fēng)動輸入模塊，與傳統(tǒng)風(fēng)動開關(guān)檢測電路不同的是，為了應(yīng)對不同環(huán)境溫度對檢測電路電阻等造成的影響，此處通過設(shè)計加入一個負溫度系數(shù)的 NTC 熱敏電阻對溫度進行補償，以達到讓電路在不同環(huán)境溫度下均可穩(wěn)定工作的狀態(tài)。其電路工作原理是，PTC 熱敏電阻與電阻 R13 串聯(lián)，對輸入的電源 12 V 進行分壓，得到一個被比較電壓 V1, 電阻 R6 與電位器 R14 以及 NTC 電阻 R16 串聯(lián)，對輸入的電源 12 V 進行分壓，得到比較電壓 V2，比較器 U2B 對電壓 V1、V2 進行比較，當(dāng) V1 高于 V2 時，U2B_OUT 輸出高電平信號，當(dāng) V1 低于 V2 時，U2B_OUT 輸出低電平信號。可以通過改變電位器 R14 的阻值，調(diào)節(jié) V2 的電壓，進而調(diào)整檢測的靈敏度；當(dāng)上電后，PTC 熱敏電阻通電，PTC 熱敏電阻發(fā)熱，電阻阻值升高，電壓 V1 降低一直達到一個穩(wěn)定點。調(diào)節(jié)可調(diào)電阻 R14，讓電壓 V2 大于電壓 V1，比較器 U2B 輸出低電平。在有風(fēng)的情況下，風(fēng)會帶走 PTC 熱敏電阻的自身熱量，讓其溫度降低，從而阻值變小，電壓 V1 升高，當(dāng)高于電壓 V2，比較器 U2B 輸出高電平；U2B 輸出后再經(jīng)過 U2A 的遲滯比較器輸出，就可以給 MCU 提供當(dāng)前是否有風(fēng)的信號。整體電路如圖 4 所示。

圖4 輸入輸出及傳感器電路圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本設(shè)備應(yīng)用程序代碼使用 C 語言編寫，程序的編寫遵循模塊化和層次化的設(shè)計標(biāo)準，以實現(xiàn)代碼的高內(nèi)聚和低耦合，方便開發(fā)人員后續(xù)的維護。程序上電后從內(nèi)置 EEPROM 中讀取已累計運行的時間，當(dāng)讀取到風(fēng)動檢測電路工作時，如果處于白天，則顯示所有傳感器的數(shù)值和對應(yīng)的等級，若是處于黑夜，則不顯示，但是設(shè)備依然正常工作，依舊定時統(tǒng)計累計運行時間；當(dāng)讀取到風(fēng)動開關(guān)電路不工作后，就關(guān)閉設(shè)備的輸出，關(guān)閉顯示，并且不再統(tǒng)計累計運行時間。系統(tǒng)主程序流程圖如圖 5 所示。

4 實現(xiàn)功能

帶溫度補償和空氣檢測的風(fēng)動開關(guān)控制器主要實現(xiàn)以下功能：

a）顯示當(dāng)前環(huán)境的 PM2.5、甲醛值和累計運行值，并通過三色 LED 指示其污染等級；

b）設(shè)備可跟隨空調(diào)風(fēng)機的啟動而工作，隨著空調(diào)風(fēng)機的關(guān)閉而停止 ; 

c）當(dāng)設(shè)備工作時，可通過光敏傳感器實現(xiàn)晝夜不同環(huán)境下顯示單元是否顯示的自動切換；

d）當(dāng)設(shè)備累計使用時間到達設(shè)定值時，可以提示清洗濾網(wǎng)，并可以通過長按按鍵重置累計使用時間。

5 結(jié)束語

該風(fēng)動開關(guān)控制器附帶空氣質(zhì)量檢測功能，還在傳統(tǒng)風(fēng)動開關(guān)的基礎(chǔ)上增加溫度補償?shù)墓δ?，大大增強了其穩(wěn)定性和產(chǎn)品適用性，目前已逐步量產(chǎn)并投入市場。

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(注：本文轉(zhuǎn)載自《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年11月期)